只需控制手腕移動 3D打印“鋼琴手”奏出華美樂章

彈奏鋼琴的未必是優(yōu)雅的鋼琴師，也可能是冰冷的機(jī)械手。日前，英國劍橋大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過3D打印技術(shù)仿真人體手部結(jié)構(gòu)，制造出“鋼琴手”，只需控制手腕移動，就能彈奏簡單的鋼琴曲。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上。

新型機(jī)械手在設(shè)計(jì)上充分仿真了人手的結(jié)構(gòu)，每根手指上有3—4個(gè)關(guān)節(jié)，并模擬了不同部位所需的軟硬程度。特別值得一提的是，每只手指上并不需要單獨(dú)的電機(jī)進(jìn)行控制，而是通過與琴鍵接觸時(shí)機(jī)器手不同部位的軟硬變化的“被動”反應(yīng)，來模擬人手彈鋼琴的過程，實(shí)現(xiàn)多種不同的彈奏動作和功能。

研究人員使用3D打印技術(shù)制作機(jī)器手，通過將不同比例的硬塑料和軟橡膠混合，生產(chǎn)具有不同硬度的韌帶和關(guān)節(jié)，將其組裝成仿真手后再連接到普通的工業(yè)用機(jī)械臂上。研究人員編寫程序控制機(jī)械臂運(yùn)動，模擬手腕帶動手指在鋼琴上彈奏樂曲。

研究人員將鋼琴演奏分解成三類動作：單指敲擊，跳躍和拇指滑動，并且使用了三段音樂來衡量機(jī)器手的能力。第一首是意大利作曲家斯卡拉蒂創(chuàng)作的托卡塔(Toccata)曲。研究人員發(fā)現(xiàn)，必須提高機(jī)械手食指的強(qiáng)度、降低其他手指的強(qiáng)度，才能彈奏鋼琴的斷音和柔軟的連音，以接近人類的彈奏方式。之后研究人員使用了其他風(fēng)格的曲子，來測試機(jī)器手演奏八度音階的能力。他們發(fā)現(xiàn)，需要提高手指韌帶的彈性并保持手指本身的強(qiáng)度才能彈奏出大跳和清晰的音符。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與許多現(xiàn)有機(jī)器手相比，新型機(jī)器手在音量控制、拇指移動、彈奏斷音和連音方面都表現(xiàn)出了極佳的靈活性。

幾十年來，科學(xué)家們一直在制造機(jī)械手，以往的機(jī)械手往往采用復(fù)雜的剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)，并安裝繁瑣的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，劍橋研究團(tuán)隊(duì)顛覆了這一傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。論文第一作者、劍橋大學(xué)休斯表示，人類的智能不僅體現(xiàn)在大腦上，還分布在全身各處，尤其是各種復(fù)雜的身體結(jié)構(gòu)和人體力學(xué)，團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)是創(chuàng)造一種具有表現(xiàn)力的鋼琴機(jī)器人，而不僅僅局限于彈出正確的旋律。(胡定坤)

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